(57)【要約】【課題】  反射型空間光変調素子を用いた投射型画像表示装置において、結像光学系として広角斜め投射光学系を採用して装置構成を薄型化しつつ、レンズ系の大型化を抑え、さらに、結像光学系の球面収差、色収差、コマ収差を低減し、高解像度で良好な表示画像が得られるようにする。【解決手段】  反射型空間光変調素子２を傾斜した方向から第１の偏光板１を介して照明光学系により照明し、反射型空間光変調素子２で反射された変調光を第２の偏光板３を介してレンズ系４及び凸面反射ミラー５からなる拡大投影光学系に入射させ、この拡大投影光学系により、スクリーン６の背面から斜めに表示画像を照射する。【選択図】  図１
2006189644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型空間光変調素子と、
前記反射型空間光変調素子を、この反射型空間光変調素子に対する法線に対して傾斜した方向から、第１の偏光板を介して照明光を照射する照明光学系と、
前記反射型空間光変調素子による前記照明光の反射光である変調光が第２の偏光板を介して入射されるレンズ系及びこのレンズ系を経た変調光が入射される凸面反射ミラーからなる拡大投影光学系と、
前記拡大投影光学系の前記凸面反射ミラーにより反射された変調光が背面から斜めに照射されるスクリーンと
を備えたことを特徴とする投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広角拡大投射光学系を用いたいわゆるリアプロジェクションテレビや、広角縮小光学系を用いたいわゆる書面カメラ等の如き投射型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、反射型液晶ライトバルブ（ＬＣＯＳ）の如き空間光変調素子に対する照明光をこの空間光変調素子によって変調し、この変調光を投射レンズ等の結像光学系を介して、スクリーン上に拡大して結像させ、画像を表示する投射型画像表示装置が提案されている。このような投射型画像表示装置においては、空間光変調素子のピクセルごとに照明光を制御することにより、照明光の光量や偏光状態についての変調を行っている。
【０００３】
このような投射型画像表示装置においては、いわゆるリアプロジェクションテレビとして構成した場合において、装置構成の薄型化を実現するため、広角斜め投射光学系を用いたものが提案されている。この広角斜め投射光学系は、ミラーを用いて照明光の光路を折り返すことにより、薄型化を実現したものである。
【０００４】
そして、このような広角斜め投射光学系の一つとして、非球面ミラーとレンズ系を組み合わせたハイブリッド光学系が提案されている。このようなハイブリッド光学系として、特許文献１には、非球面ミラーで発生するピンクッション型の歪曲収差を補正するために、レンズ系において、これと逆のバレル型の歪曲収差を発生させ、両収差を互いにうち消しあうようにして、歪曲収差のない良好な表示画像が得られるようにしたものが記載されている。また、この特許文献１に記載されたハイブリッド光学系においては、非球面ミラーにおいて発生する像面湾曲を相殺する湾曲補正レンズをレンズ系に含めることにより、像面湾曲を補正し、良好な表示画像が得られるようにしている。
【特許文献１】特開２００２−２０７１６８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前述のように反射型液晶ライトバルブなどの反射型空間光変調素子を用いた投射型画像表示装置においては、反射型空間光変調素子を照明する照明光の光路と、この反射型空間光変調素子により反射された変調光の光路とを分離させるため、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いている。偏光ビームスプリッタは、誘電体多層膜を薄膜状に積層した偏光分離膜を有して構成された光学素子であり、光の波としての性質を利用して、波長分離や偏光分離を行うものである。
【０００６】
この偏光ビームスプリッタにおいては、入射光の入射角度によって、この入射光が偏光分離膜を横切る光路長が異なるため、偏光分離特性が変化してしまう。そのため、反射型空間光変調素子の表示面内における位置によってこの反射型空間光変調素子からの反射光の偏光ビームスプリッタへの入射角度が異なる場合には、反射型空間光変調素子の表示面内の位置毎に異なる偏光分離特性となってしまい、表示面内の位置に依存して、表示画像にムラが生じたり、表示画像のコントラストの低下が招来されることとなる。
【０００７】
このような偏光ビームスプリッタの偏光分離特性の入射角度依存性による影響を回避するため、従来の投射型画像表示装置においては、偏光ビームスプリッタヘ入射する光束の入射瞳位置が無限遠となってすべての主光線が光軸に平行となるテレセントリックな光学系を用いている。このような光学系を用いることにより、入射角度分布による偏光分離特性の差は積分化され、空間光変調素子の表示面上の場所による差をなくすことが可能となる。すなわち、反射型空間光変調素子及び偏光ビームスプリッタを用いた投射型画像表示装置においては、投射レンズ等の結像光学系として、テレセントリックで、かつ、偏光ビームスプリッタの厚み分を越える長いバックフォーカスを有する光学系を用いる必要がある。
【０００８】
このような条件を満たしつつ、明るい広角投影系として構成しようとすると、テレセントリック光学系であるために、レンズ系が大型化してしまうとともに、コストアップや光学系配置の自由度低下が招来される。このような光学系は、反射系とレンズ系（屈折系）とを組み合わせたハイブリット光学系として構成しても、設計難易度の高い光学系となってしまう。そのため、従来の投射型画像表示装置においては、結像光学系のＦナンバを４程度として、光学系の明るさを抑えて、レンズ系の大型化を回避している。
【０００９】
例えば、従来の投射型画像表示装置におけるテレセントリック光学系について、図６を用いて説明する。この投射型画像表示装置においては、図示しない照明光学系からのテレセントリックな照明光が、反射型空間光変調素子２０２を照明する。この反射型空間光変調素子２０２において反射された変調光は、図示しない偏光ビームスプリッタを通過し、レンズ系２０４によって集光され、凸面反射ミラー２０５によって反射されて、スクリーン２０６に拡大投影される。
【００１０】
ここで、反射型空間光変調素子２０２から出射される変調光は、光軸中心２０８に平行なテレセントリック光束である。したがって、レンズ系２０４は、レンズ系２０４のバックフォーカスと照明光学系のＦナンバに応じた分だけ、イメージサークル２０７よりも広がった広い光束を取り込む必要がある。
【００１１】
そのため、レンズ系２０４の口径は巨大なものとなり、大型化してしまい、コスト高ともなる。さらに、光学系の設置の自由度も阻害され、投射型画像表示装置の全体の装置構成の薄型化、小型化も困難となる。また、光軸中心２０８から離れた位置から出射される光束は、レンズ系２０４において曲げられる角度が大きくなり、収差発生量が増加するので、レンズ系２０４の設計も困難となる。
【００１２】
このような問題も回避するためには、照明光学系のＦナンバを大きくし、光学系の明るさを暗くする必要がある。しかしながら、近年、投射型画像表示装置においては、表示画像の輝度の向上が望まれており、光学系をより明るいものとしなければならない状況となっている。
【００１３】
さらに、従来の投射型画像表示装置においては、像面湾曲及び歪曲収差の補正が行われているが、球面収差の補正が不十分であったと考えられる。歪曲収差等の形状の歪みは、電気的な補正が可能であるが、結像光学系の性能が低いと、形状の歪みの補正自体も困難となるので、電気的な補正を行うためにも、結像光学系の光学特性は良好なものとしておく必要がある。
【００１４】
また、反射型空間光変調素子における画素ピッチを細かくしても、結像光学系の結像性能が低いと、スクリーン上において反射型空間光変調素子の解像度に応じた高解像度の表示画像を得ることができないので、結像光学系の光学特性は良好なものとする必要がある。特に、装置構成の薄型化のために、スクリーンに対して変調光を斜めに照射する構成を採った場合、表示画像の画質がスクリーンの変動によって影響を受けやすくなるので、結像光学系の収差をより小さく設計しておく必要がある。
【００１５】
また、このような投射型画像表示装置において、結像光学系を非球面ミラー等の反射光学系を含むものとした場合、ミラーにおける反射角には波長依存性がないことから、ミラーによる色収差の補正はできないので、他の光学素子において色収差の補正を行うことが必要となる。
【００１６】
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、反射型空間光変調素子を用いた投射型画像表示装置であって、結像光学系として広角斜め投射光学系を採用して装置構成を薄型化しつつ、レンズ系の大型化が抑えられ、さらに、結像光学系の球面収差、色収差、コマ収差が低減され、高解像度で良好な表示画像が得られるようになされた投射型画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る投射型画像表示装置は、反射型空間光変調素子と、この反射型空間光変調素子をこの反射型空間光変調素子に対する法線に対して傾斜した方向から第１の偏光板を介して照明光を照射する照明光学系と、反射型空間光変調素子による照明光の反射光である変調光が第２の偏光板を介して入射されるレンズ系及びこのレンズ系を経た変調光が入射される凸面反射ミラーからなる拡大投影光学系と、この拡大投影光学系の凸面反射ミラーにより反射された変調光が背面から斜めに照射されるスクリーンとを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る投射型画像表示装置においては、反射型空間光変調素子を傾斜した方向から第１の偏光板を介して照明光学系により照明し、反射型空間光変調素子で反射された変調光を第２の偏光板を介してレンズ系及び凸面反射ミラーからなる拡大投影光学系に入射させ、この拡大投影光学系により、スクリーンの背面から斜めに表示画像を照射する。
【００１９】
この構成により、本発明は、反射型空間光変調素子を用いた投射型画像表示装置であって、結像光学系として広角斜め投射光学系を採用して装置構成を薄型化しつつ、レンズ系の大型化が抑えられ、さらに、結像光学系の球面収差、色収差、コマ収差が低減され、高解像度で良好な表示画像が得られるようになされた投射型画像表示装置を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る投射型画像表示装置の最良の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係る投射型画像表示装置の構成を示す側面図である。
【００２２】
この投射型画像表示装置は、照明光を発する図示しない光源を有している。この光源としては、例えば、超高圧水銀ランプ等の発光管が使用される。この光源から発せられた照明光は、図示しない照明光学系を経て、図１に示すように、第１の偏光板（プリポラライザ）１に入射される。この第１の偏光板１は、入射された照明光の偏光方向を一定の方向に揃えて透過させる。
【００２３】
第１の偏光板１を透過した照明光は、偏光方向が揃った状態で、反射型空間光変調素子２を斜め方向から照明する。すなわち、この照明光は、反射型空間光変調素子２の表示面の法線に対して傾斜した方向から、この反射型空間光変調素子２の表示面に入射される。なお、第１の偏光板１は、反射型空間光変調素子２の表示面に対して平行に設置されている。
【００２４】
反射型空間光変調素子２は、例えば、反射型液晶ライトバルブであり、入射された照明光について、表示画像に応じて画素ごとに偏光変調し、反射させる。このようにして反射型空間光変調素子２において偏光変調されて反射された変調光は、この反射型空間光変調素子２に対する照明光の入射方向とは反対側に傾斜した方向に反射され、出射される。
【００２５】
反射型空間光変調素子２から出射された変調光は、第２の偏光板（アナライザ）３に入射れる。この第２の偏光板３は、反射型空間光変調素子２において偏光変調された成分のみを透過させる。この第２の偏光板３は、反射型空間光変調素子２の表示面に対して平行に設置されている。
【００２６】
第２の偏光板３を透過した変調光は、拡大投射光学系を構成するレンズ系４に入射される。このレンズ系４は、凸面反射ミラー５とともに、拡大投射光学系を構成している。レンズ系４の主面は、反射型空間光変調素子２の表示面に対して平行に設置されている。すなわち、変調光は、レンズ系４の光学軸に対して傾斜して、このレンズ系４に入射される。レンズ系４に入射された変調光は、このレンズ系４を経て、凸面反射ミラー５に入射される。そして、この凸面反射ミラー５により反射された変調光は、スクリーン６の背面に、反射型空間光変調素子２によって表示された画像を拡大投影して表示する。
【００２７】
スクリーン６は、半透明の材料によって形成され、反射型空間光変調素子２の表示面に対して平行に設置されている。すなわち、画像を表示する変調光は、スクリーン６の法線に対して傾斜して、このスクリーン６に入射される。そして、表示画像は、スクリーン６の正面側より、このスクリーン６を透過して観察される。
【００２８】
この投射型画像表示装置においては、反射型空間光変調素子２において変調された変調光と、変調されなかった照明光とを偏光分離させるために、第１の偏光板１及び第２の偏光板３を使用している。これら偏光板１，３は、従来の投射型画像表示装置において使用されていた偏光ビームスプリッタに比較して、入射光の入射角に対する光学特性の依存性が非常に低い。そのため、この投射型画像表示装置においては、第１及び第２の偏光板１，３を透過する照明光の主光線を光軸に平行（テレセントリック）とする必要がない。したがって、この投射型画像表示装置においては、主光線が光軸と平行でない非テレセントリックな照明光を使用することができる。
【００２９】
図２は、本発明に係る投射型画像表示装置における非テレセントリック照明光学系を用いた結像光学系の構成を示す側面図である。
【００３０】
すなわち、この投射型画像表示装置においては、図２に示すように、照明光学系からの非テレセントリックで斜め方向の照明光が、第１の偏光板を介して反射型空間光変調素子２を照明する。この反射型空間光変調素子２からの反射光（変調光）は、前述したように、第２の偏光板を経てレンズ系４に入射して集光され、凸面反射ミラー５を経て、スクリーン６に拡大投影される。
【００３１】
ここで、反射型空間光変調素子２から出射される変調光は、結像光学系の光軸中心８に対して傾いており、レンズ系４の瞳に集光されるので、レンズ系４として必要な口径は、図２に示すように、結像光学系のイメージサークル７と比較して小さくすることが可能となっている。
【００３２】
したがって、この投射型画像表示装置においては、レンズ系４を小型化して低コストで作製することが可能となり、また、結像光学系の設置の自由度も向上するので、装置構成の薄型化、小型化を実現することができる。
【００３３】
また、この投射型画像表示装置においては、結像光学系において、凸面反射ミラー５で発生する球面収差は、レンズ系４において発生される略逆方向の球面収差によって、相殺されるようになっている。
【００３４】
すなわち、この投射型画像表示装置においては、凸面反射ミラー５で発生する（＋）の球面収差を補正するために、レンズ系４において、（−）の球面収差を発生させ、両者を組み合わせることで、光学系全体で球面収差を補正するようにしている。
【００３５】
図３は、正のパワーを持つレンズを用いた場合の球面収差の概要を示すグラフである。
【００３６】
図４は、負のパワーを持つレンズを用いた場合の球面収差の概要を示すグラフである。
【００３７】
レンズに対しての光線の入射高さの高い位置の光線は、図３中の（ａ）及び図４中の（ａ）に示すように、近軸焦点位置ｆに集まらず、正のパワーの場合は図３（ａ）のように焦点位置ｆより手前（−）に、負のパワーを持つレンズの場合は焦点位置ｆより奥（＋）にそれぞれずれた位置で光軸と交差するという球面収差が発生する。入射光線の光軸からの高さを縦軸に、横軸に光軸と交わる位置を示すと、図３中の（ｂ）及び図４中の（ｂ）に示すように、入射光線の光軸からの高さが高いほど、焦点位置ｆにおいて光軸から大きくずれてゆく。
【００３８】
図５は、結像光学系における球面収差の表示画像への影響を示す正面図である。
【００３９】
結像光学系においてこのような球面収差が発生すると、図５中の（ａ）で示す基画像の投影像は、図４中の（ｂ）に示すように、ぼけた画像となってしまう。この場合には、反射型空間光変調素子として高精細な空間光変調素子を使用しても、表示画像を精細な画像とすることはできない。
【００４０】
本発明に係る投射型画像表示装置においては、凸面反射ミラー５が負のパワーを持つことから、この凸面反射ミラー５で発生する（＋）の球面収差をレンズ系４により補正し、図４中の（ｃ）に示すように、高精細な反射型空間光変調素子の性能を十分に活用したはっきりとした表示画像を得ることができる。
【００４１】
また、この投射型画像表示装置においては、結像光学系において発生する色収差は、レンズ系４のみによりを補正している。すなわち、反射ミラー５では、反射角が波長に依存しないことから、波長により発生量の異なる色収差のコントロールが不可能である。そのため、レンズ系４において、倍率色収差及び軸上色収差を取り除くようにしている。
【００４２】
さらに、この投射型画像表示装置においては、結像光学系の正弦条件違反量（ＯＳＣ）は、１以下となっている。すなわち、この投射型画像表示装置においては、軸外からの光線の収差であるコマ収差を良好に補正するため、正弦条件違反量（ＯＳＣ）を結像光学系の全体で一定量以下であるようにし、１以下としている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る投射型画像表示装置の構成を示す側面図である。
【図２】前記投射型画像表示装置における非テレセントリック照明光学系を用いた結像光学系の構成を示す側面図である。
【図３】正のパワーを持つレンズを用いた場合の球面収差の概要を示すグラフである。
【図４】負のパワーを持つレンズを用いた場合の球面収差の概要を示すグラフである。
【図５】結像光学系における球面収差の表示画像への影響を示す正面図である。
【図６】従来の投射型画像表示装置における結像光学系の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  第１の偏光板
２  反射型空間光変調素子
３  第２の偏光板
４  レンズ系
５  凸面反射ミラー
６  スクリーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006189644.tif 000006
【図５】
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【図６】
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